錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)在復(fù)雜煤層巷道中的研究應(yīng)用

饒 高

(湖南省煤業(yè)集團(tuán)白山坪礦業(yè)有限公司，湖南 耒陽(yáng) 421800)

0 引言

錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)，已在我國(guó)北方大型礦井得到廣泛應(yīng)用，理論研究較成熟，實(shí)際使用效果也很良好，很好地解決了回采工作面煤巷大斷面支護(hù)強(qiáng)、施工機(jī)械運(yùn)用、兩巷通行空間等問(wèn)題。但在南方地質(zhì)條件較復(fù)雜的小型煤礦，推廣難度大，且很少采用。白山坪礦井煤層賦存條件較復(fù)雜，煤層連續(xù)性差，傾角變化較大，煤層賦存穩(wěn)定性很差，給掘進(jìn)和支護(hù)都帶來(lái)了極大的困難。長(zhǎng)期以來(lái)白山坪礦井的回采煤巷支護(hù)，絕大部分都是采用棚式支護(hù)，但是巷道受壓后變形大、維修量也大，且巷道變形后修復(fù)困難，采掘運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)環(huán)境差，很難實(shí)現(xiàn)礦井安全和高效生產(chǎn)，采掘接替緊張，生產(chǎn)潛力難以發(fā)揮。特別隨礦井采深加大，礦壓更大，原有棚式支護(hù)更難適應(yīng)高應(yīng)力影響，巷道維護(hù)維修成本更大。為了便于使用機(jī)械設(shè)備施工，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少巷道維修，降低總成本。白山坪煤礦在3162風(fēng)巷試驗(yàn)煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)已施工260 m巷道，獲得了良好的試驗(yàn)效果，很值得逐步大面積推廣應(yīng)用。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

3162風(fēng)巷設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約為465 m，巷道橫面形狀根據(jù)復(fù)雜煤層具體賦存情況而定，堅(jiān)持不破頂板施工的原則設(shè)計(jì)，巷道橫截面尺寸按確保安裝機(jī)采運(yùn)輸設(shè)備和人員順利通行等要求設(shè)計(jì)，頂部依頂煤層頂板坡度而定，兩幫為直立，底板為水平。設(shè)計(jì)巷道橫截面凈尺寸3 800×2 600；毛尺寸4 000×2 750(橫截面高為巷道中軸線處尺寸)，巷道距地表平均垂距520 m。煤層坡度為12°～47°，平均約31°，煤層厚度為0 m～7.09 m，平均厚度1.69 m，煤層容重為1.46 t/m3。偽頂：炭質(zhì)泥巖，厚0.3 m，黑色，含炭質(zhì)，薄層狀，微波層理；直接頂:粉砂巖，厚度4.71 m，灰黑色，中～厚層狀，微波層理，見(jiàn)菱鐵質(zhì)，有時(shí)相變?yōu)槟鄮r；老頂：石英砂巖，厚度3.6 m，深灰色，中～厚層狀，致密，堅(jiān)硬，具斜線層理，含水性極弱；直接底：粉砂巖，厚度3.8 m，灰黑色，薄層狀，微波層理，致密堅(jiān)硬，含水性極弱；老底：石英砂巖，厚度3.25 m，深灰色，厚層狀，水平及緩波層理，含云母碎片。

1.2 煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的施工技術(shù)難點(diǎn)

白山坪礦井位于郴耒煤田白沙向斜西翼中段，煤層地質(zhì)情況變化復(fù)雜，煤層的穩(wěn)定性較差，坡度經(jīng)常發(fā)生變化，頂?shù)装迤鸱兓野纪共黄剑簩雍穸茸兓?，?jīng)常變薄至不可采甚至出現(xiàn)無(wú)煤區(qū)，有時(shí)又變化到超過(guò)回采高度的厚度，難以選擇較合適的掘進(jìn)機(jī)械，巷道支護(hù)難度也很大。主要難度為以下兩點(diǎn)：

1)當(dāng)回采巷道中的煤層變?yōu)榘朊杭叭珟r時(shí)，掘進(jìn)機(jī)難以發(fā)揮作用，對(duì)類似地段我們一般采用爆破掘進(jìn)法，這樣易于掘進(jìn)破碎巷道垱頭較堅(jiān)硬的圍巖。所以對(duì)適應(yīng)地質(zhì)變化條件的掘進(jìn)機(jī)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

2)煤層頂板凹凸不平給錨網(wǎng)索支護(hù)及安裝帶來(lái)困難，使支護(hù)強(qiáng)度容易下降；當(dāng)煤層坡度變化到急傾斜，且煤層厚度大于2 m，煤體松軟破碎時(shí)，極易發(fā)生頂板抽冒現(xiàn)象，也容易發(fā)生連錨桿一起拔出的片幫冒頂事故，所以煤巷錨網(wǎng)索施工技術(shù)及安全管理難度較大。

2 煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)方案設(shè)計(jì)

煤巷錨網(wǎng)支護(hù)具有一定難度，而煤巷大斷面支護(hù)更難，承受礦壓更大，根據(jù)相關(guān)工程支護(hù)經(jīng)驗(yàn)資料，煤巷錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)能將松軟破碎的煤體最有效地加固成一個(gè)整體，能充分發(fā)揮煤巖體的自承壓力作用，提高抗壓強(qiáng)度，如支護(hù)妥適，其抗壓強(qiáng)度、抗壓性能遠(yuǎn)大于架棚式支護(hù)。所以根據(jù)煤巷錨桿、索支護(hù)原理分析，加大錨網(wǎng)索支護(hù)本身的強(qiáng)度并采用聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)。白山坪礦3162風(fēng)巷錨網(wǎng)支護(hù)材料分別為錨桿、錨索、樹(shù)脂錨固藥卷、菱形金屬網(wǎng)、橫、縱兩種鋼筋加固條、托盤、錨索托板、螺母等構(gòu)件。由以上構(gòu)件將較大范圍的圍巖最有效地加固成一個(gè)聯(lián)合承力整體，各承力構(gòu)件都必須滿足最低強(qiáng)度要求，安裝緊密受力，相互牽固成一個(gè)封閉完善的整體，使較大范圍的圍巖形成主動(dòng)承力結(jié)構(gòu)，大大提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，充分發(fā)揮錨網(wǎng)索等材料的支護(hù)效果。

2.1 支護(hù)方式選擇

1)當(dāng)煤層坡度小于45°、煤厚小于2.0 m且不隨掘隨冒時(shí)優(yōu)先采用錨網(wǎng)支護(hù)；2)當(dāng)煤層坡度大于45°、煤厚小于2.0 m，煤體完整性較好，但會(huì)出現(xiàn)中等程度的抽冒頂情況時(shí)，則采用短掘短支的作業(yè)形式，先采用單體絞接頂梁挑鋼絲網(wǎng)超前掩護(hù)臨時(shí)支護(hù)，再采用單體、厚邊木抬棚壓網(wǎng)關(guān)頂作二次臨時(shí)支護(hù)，最后采用錨桿、錨索、鋼筋加固條、鋼絲繩及相應(yīng)鋼托板依次緊壓鋼筋加固條、鋼絲繩、鋼絲網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)形式作永久支護(hù)；3)當(dāng)煤層坡度大于45°、煤厚大于2.0 m，且煤體容易出現(xiàn)隨掘隨抽冒夸落的現(xiàn)象時(shí)，則采架U形棚支護(hù)，再采用錨索作補(bǔ)強(qiáng)加強(qiáng)支護(hù)，架棚采用11號(hào)工作鋼前探梁作為臨時(shí)支護(hù)。

2.2 錨網(wǎng)索支護(hù)施工工藝設(shè)計(jì)及支護(hù)材料配置

1)頂板錨桿使用φ18×2 200 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，間排距為7 500 mm×800 mm，采用矩形布置。每個(gè)錨桿孔用2支Z2360樹(shù)脂錨固劑或一支K2340和兩支Z2340樹(shù)脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度約為1 200 mm。

2)兩幫錨桿采用φ18×1 800 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，間排距設(shè)為800 mm×800 mm。每個(gè)錨桿孔用一支K2340和一支Z2340樹(shù)脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度約為800 mm。根據(jù)對(duì)外調(diào)研學(xué)習(xí)取得的理論依據(jù)，結(jié)合對(duì)礦井多年的井巷施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)分析得知，幫角錨桿能較好地控制巷道底臌變形，通過(guò)3261工作面煤巷錨網(wǎng)支護(hù)實(shí)際施工也得到了驗(yàn)證，幫角錨桿向下傾斜角一般為10°～20°。

3)巷道表面及時(shí)采用菱形金屬網(wǎng)貼壓關(guān)嚴(yán)、關(guān)實(shí)，網(wǎng)拉緊拉直，煤巖表面凹處可采用坑木、茅材等輔助充實(shí)，提高錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖加固成整體的能力，以防止因圍巖表面的不斷漏空擴(kuò)大，而降低錨網(wǎng)索支護(hù)體的承壓效果。網(wǎng)間重疊敷設(shè)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為120 mm～220 mm，不得少于100 mm。

4)錨索作為加強(qiáng)支護(hù)用，型號(hào)為φ17.8×6 300 mm。錨索一般來(lái)說(shuō)，只沿巷道頂板按巷道縱軸布置一排，錨索間距設(shè)置為2 400 mm。礦壓較顯現(xiàn)區(qū)沿頂板布置兩排，兩幫各布置一排。頂板排距為900 m，兩幫錨索一般沿兩幫中線偏略下幫布置。每個(gè)錨索孔用一支K2335和3支Z2350樹(shù)脂錨固劑，錨索伸入孔內(nèi)長(zhǎng)度為6 000 mm，外露長(zhǎng)度150 mm～300 mm。

5)頂、幫錨桿孔必須分別用頂、幫錨桿鉆機(jī)鉆眼，不宜采用風(fēng)機(jī)鉆眼，鉆頭直徑為27。幫部如果采用風(fēng)鉆打眼，必須采用φ27小鉆頭，遇巖石較堅(jiān)硬的兩幫還可用直徑適合的水泥錨固劑。錨桿、鉆孔直徑和樹(shù)脂錨固劑直徑應(yīng)合理匹配，鉆孔直徑與錨桿直徑之差為6 mm～10 mm，與樹(shù)脂錨固劑直徑之差為4 mm～8 mm。

6)一般來(lái)說(shuō)，煤層上幫易發(fā)生片幫變形和抽冒，常在煤層上幫再布置一排縱向錨桿，其錨桿設(shè)計(jì)布置于周圍基本錨桿的矩形中心，然后按縱向壓鋼梁進(jìn)行加固支護(hù)。

7)錨桿托板采用厚度為10 mm鼓形托板，規(guī)格為φ120 mm，材質(zhì)為A3鋼，配置帶球形墊座的擰固螺母，鼓形托板凹側(cè)對(duì)壁分別壓網(wǎng)、鋼筋加固條，凸側(cè)中心加工成球形窩，能使錨桿以任意角度安裝。安裝時(shí)視情況在球形墊座和螺母之間添加減摩片。

8)錨索托板為(200×150×15)mm的槽鋼。采用φ18～φ24的廢舊鋼絲繩兩根，且并排用繩卡固定，作為配合錨索的縱向鋼絲繩。橫向鋼帶原設(shè)計(jì)采用W形鋼帶，但實(shí)際為降低成本及加工方便，采用φ12的圓鐵按寬60 mm焊接而成，一般單根長(zhǎng)度為2.0 m。補(bǔ)強(qiáng)加固用的縱向加固鋼條采用φ16圓鋼焊接而成，寬80 mm，一般單根長(zhǎng)2.0 m。

9)由于工作面煤層坡度及煤厚屬不穩(wěn)定變化型。根據(jù)3162工作面煤層賦存地質(zhì)條件，由于坡度0°～52°，平均約31°，煤厚0 m～2.85 m，平均厚度1.81 m，所以巷道支護(hù)斷面按煤厚1.81 m，坡度31°類型設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

3 支護(hù)效果觀測(cè)

在巷道的頂板和兩幫分別布置觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行觀測(cè)，以檢驗(yàn)錨網(wǎng)索支護(hù)方案實(shí)施后的支護(hù)效果。并且對(duì)錨桿、錨索進(jìn)行拉力檢測(cè)，驗(yàn)證其承力狀況。應(yīng)用煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)后，檢驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)表面位移隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)逐漸增大，工作面距觀測(cè)點(diǎn)60 m左右時(shí)，巷道表面位移量達(dá)到最大值，然后保持穩(wěn)定。頂板最大下沉值為300 mm，最小值為120 mm，兩幫移近量最大值達(dá)到230 mm，最小值為120 mm，底臌約為80 mm，巷道控制變形達(dá)到理想效果，在此變形范圍內(nèi)，只作很小的維修量，就完全能安全正常使用。對(duì)錨桿進(jìn)行拔拉檢測(cè)，錨桿拔拉力95%以上在6 t以上，能滿足設(shè)計(jì)要求，但錨索測(cè)力設(shè)備暫沒(méi)購(gòu)買，所以錨索測(cè)力未進(jìn)行，錨索受力僅憑擰緊螺母的預(yù)緊力掌握。

4 經(jīng)驗(yàn)結(jié)論

1)煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)充分發(fā)揮了圍巖自身的主動(dòng)承載的作用，更有效地控制了圍巖的變形。經(jīng)工程實(shí)踐表明，煤巷錨網(wǎng)支護(hù)體的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于架棚支護(hù)強(qiáng)度。

2)3162工作面風(fēng)巷錨網(wǎng)索巷道單位支護(hù)費(fèi)用為2 038元/m，同樣規(guī)格的金屬架棚巷道支護(hù)費(fèi)用為2 157元/m。而錨網(wǎng)索支護(hù)材料輕，運(yùn)輸方便，操作勞動(dòng)強(qiáng)度小，支護(hù)的巷道變形量小，維護(hù)、維修工程量小，煤巷錨網(wǎng)支護(hù)抗壓力大，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大斷面機(jī)械化作業(yè)，作業(yè)環(huán)境好，所以綜合而論煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯，很值得大面積推廣應(yīng)用。

3)3162煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)，由于部分施工及檢測(cè)設(shè)備未購(gòu)置到位，所以只簡(jiǎn)單地對(duì)巷道的變形進(jìn)行了量測(cè)，支護(hù)檢測(cè)也只檢測(cè)了部分錨桿拔拉力，對(duì)原巷道的應(yīng)力、錨索拔拉力、錨桿、錨索預(yù)緊力等都未進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)研究。廣大干部、職工對(duì)煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)理論認(rèn)識(shí)、思想觀念、操作技術(shù)水平、管理水平還有待大大改善。另因煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)巷道，由于技術(shù)管理水平要求更高，所以大規(guī)模在地質(zhì)條件復(fù)雜煤巷實(shí)際推行錨網(wǎng)索支護(hù)還需要有一個(gè)大力研究完善的過(guò)程。

4)適應(yīng)南方復(fù)雜地質(zhì)條件的煤巷掘進(jìn)機(jī)需進(jìn)一步向小型化、實(shí)用化方向改進(jìn)。